Aplicación de Compuestos de Matriz Cerámica Reforzados con

Twelfth LACCEI Latin American and Caribbean Conference for Engineering and Technology (LACCEI’2014)
”Excellence in Engineering To Enhance a Country’s Productivity” July 22 - 24, 2014 Guayaquil, Ecuador.
Aplicación de Compuestos de Matriz Cerámica Reforzados con
Residuos
José Luis Soto Trinidad (Ph.D)
Instituto Tecnológico de Santo Domingo, Santo Domingo, República Dominicana,
[email protected]
[email protected]
José Miguel Pimentel Medina
Instituto Tecnológico de Santo Domingo, Santo Domingo, República Dominicana
[email protected]
ABSTRACT
Some products made from ceramic matrix composites are shown in this work. One such material composite is
reinforced with solid waste of gold and silver, and the other is reinforced with volcanic ash. The matrixes of both
compounds are of clay, feldspar and others chemicals that have the mission to link waste, give adhesion,
mechanical resistance and consistency of materials. According to Engineering Materials, these composites were
used in the coating of the piston engine model aircraft and the manufacture of refractory bricks. As a result, these
materials have a value added in the industrial sector because the piston surface coating could improve the thermal
efficiency of the engine and can also be used as refractory materials in components.
Keywords: Mining waste, refractory bricks, coated piston and Materials Engineering.
RESUMEN
Este trabajo muestra algunos productos hechos de materiales compuestos de matriz cerámica. Uno de estos
compuestos está reforzado con residuos sólidos de oro y plata, y el otro está reforzado con cenizas volcánicas. Las
matrices de ambos compuestos son de arcilla, feldespatos entre otras sustancias químicas que tienen la misión de
enlazar los residuos, darle adherencia, resistencias mecanicas y consistencia a los materiales. De acuerdo a
Ingenieria de los Materiales, estos compuestos se emplearon en el recubrimiento del pistón de un motor de
aeromodelismo y en la fabricación de ladrillos refractarios. Como consecuencia, estos materiales poseen un valor
agregado en el sector industrial porque al recubrir la superficie del pistón se pudo mejorar el rendimiento térmico
del motor y también se pueden utilizar como materiales refractarios en componentes.
Palabras claves: Residuos mineros, ladrillos refractarios, pistón recubierto, Ingeniería de materiales.
1. INTRODUCCIÓN
En este trabajo, se han utilizado materiales compuestos de matriz cerámica reforzados con residuos volcánicos y
residuos procedentes de la extracción de los metales oro y plata (Vite, 2003) con el propósito de obtener
materiales compuestos con buenas resistencias física y mecánica, que se puedan utilizar en la elaboración de
piezas, componentes mecánicos, refractarios, entre otras aplicaciones que se les puedan dar de acuerdo a sus
características.
Se seleccionaron estos materiales compuestos como materia prima, debido a que sus componentes de refuerzos
poseen buenas resistencias físicas, tienen una composición formada por silicio, magnesio, aluminio, manganeso,
oxígeno y carbono, y además no tienen ningún valor comercial (Soto, 2007). La incorporación del refuerzo no es
trivial, ya que en la fabricación del material compuesto siempre hay que tener en cuenta las altas temperaturas
necesarias para la fase de sinterización de las cerámicas, que pueden llegar a degradarle (Smith, 2005). Otro
problema a considerar es la unión matriz–refuerzo; el diferente coeficiente de dilatación lineal de matrices y
refuerzos, así como los ciclos térmicos inherentes a la fabricación de las cerámicas, que pueden tener como
consecuencia algunas deficiencias en la adhesión entre ambos componentes (Ferrer, 2005).
Las atractivas propiedades de las cerámicas, tales como resistencia a altas temperaturas, rigidez mecánica y buena
estabilidad química, hacen que estos materiales sean muy apreciados en aplicaciones industriales con
requerimientos extremos (Askeland, 2006). En este sentido, el papel de los residuos mineros y las cenizas es
mejorar la tenacidad de la matriz, así como implementar su resistencia a altas temperaturas y a los choques
térmicos (Vite, 1994). Por lo tanto, este estudio contempla una aplicación de la Ingeniería de Materiales, la cual
se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta las estructuras de materiales para
conseguir un conjunto predeterminado de propiedades y a partir de estos, desarrollar productos que contribuyan a
un bien económico. Esta ingeniería está muy relacionada con la mecánica y la fabricación (Askeland, 2006).
2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
La fabricación productos de materiales compuestos de matriz cerámica reforzada con residuos contempla el
proceso de la molienda que permite obtener el tamaño deseado de los desechos mineros para que puedan ser
trabajados. La molienda se realizó por vía seca, de tal manera que se fragmentó la arcilla a la vez que se
mantenían los agregados y aglomerados de partículas (Ferrer, 2005). Después, se llevó a cabo el amasado
mezclando íntimo con agua de las materias primas de la composición de la pasta obteniéndose una masa plástica
moldeable por extrusión (Budinski, 1992). Posteriormente, se realizó el moldeo con máquinas galleteras, lo que
permitió obtener productos cerámicos con calidad. Después de pasar por la galletera, los cerámicos se cortaron y
apilaron, antes de entrarse en el horno de cocción (Soto 2007). Mediante la cocción, las piezas cerámicas se
introdujeron en el horno logrando obtener los productos terminados, finalmente, se hizo el empaquetado y se
ensayaron las probetas obtenidas (ASTM C674-88) (ASTM C 773 – 88).
3. RESULTADOS y DISCUSION
A partir del material compuesto de matriz cerámica reforzada con residuos de oro y plata se fabricaron dos
productos refractarios; uno es un plástico refractario y el otro es un concreto refractario con características
parecidas a un ladrillo refractario. Otro uso que se le dio a este material compuesto, es que mediante la técnica de
abrasión láser se recubrió la parte superior de un pistón de un motor de aeromodelismo, los cuales se tratan a
continuación.
3.1 Recubrimiento de la cabeza de un pistón
A fin de mejorar la eficiencia mecánica de una máquina térmica y darle una aplicación al compuesto de matriz
cerámica a escala de laboratorio, la superficie superior de la cabeza del pistón que corresponde al motor GP –
15/9011, el cual se muestra en las figuras 1a y 1b, ya que, en general, fue uno de los materiales que presentó un
buen comportamiento mecánico y térmico.
Figura 1 Motor de dos tiempos GP-15/9011: (a) Motor ensamblado con su pistón sin recubrir, y (b) Desglose del motor.
Las características de la máquina térmica de ciclos GP – 15/9011 se presentan en la tabla 1.
Tabla 1. Características del motor GP – 15/9011
Parámetros
Desplazamiento
Diámetro del pistón
Carrera
Velocidad
Rendimiento
Valor
2.49 cc
15.2 mm
13.7 mm
2500 – 18000 rpm
0.40 BHP/17000 rpm
La figura 2ª, muestra la superficie recubierta del pistón, en la cual se incrementó la dureza de la misma en un 9.05
%. El cerámico se adhirió por medio de la técnica de abrasión láser (Alcoron, 1999), (Olea, 2003), dejando una
capa cerámica en la cabeza del cilindro, que tiene un espesor promedio de 0.51 m (figura 2b). A la superficie se
le hizo un análisis SEM, una microscopia de barrido electrónico con la cual se pudo apreciar el espesor de película
(Soto, 2007).
Figura 2 (a) Pistón del motor GP 15/9011 con capa de cerámico, (b) Zona de adherencia del compuesto y el aluminio.
En estudio térmico, se utilizaron termopares para tomar las temperaturas tanto encima de la cámara de combustión
TH , como la temperatura ambiente o del sumidero TL , conectados a un computador, en cual se registraron los
datos. Por consiguiente, la prueba que consistió en encender el motor y medir las temperaturas mientras estaba
encendido. Los valores medidos antes y después de recubrir el pistón se presentan en la tabla 2.
Tabla 2. Valores de temperaturas de operación y eficiencia térmica del motor GP – 15/9011.
Estado del pistón
Pistón sin recubrir
Pistón recubierto
Incremento porcentual
Temperatura
ambiente
°C
20.742  0.627
22.276  1.571
-------
Temperatura
de la cámara
°C
59.353  2.966
88.15  1.208
48.53 %
Eficiencia
térmica teórica
%
0.646  0.022
0.746  0.027
15.48 %
El cálculo de la eficiencia térmica del motor se realizó empleando la ecuación 1 (Soto, 2007).
T 
Salida ..deseada
………….…….....(1)
Entrada..requerida
Es decir, para una máquina térmica la ecuación 1 (Álvarez y Callejón, 2005), toma la forma:
T  1 
Wt neto, sal
Qtent
…….………………….....(2)
Pero como:
Wt neto,sal  Qtent  Qt sal …….…………….....(3)
En la ecuaciones 2 y 3; es la eficiencia térmica, Wt neto, sal es el trabajo neto de salida, Qtent es el calor
suministrado a la máquina térmica, Qt sal es el calor de salida de la máquina térmica. Asimismo, la eficiencia
térmica que se calculó es teórica, es decir, la eficiencia térmica de Carnot en la ecuación (4) (Gualtieri, 2005) y
representa el máximo rendimiento que se puede alcanzar una máquina térmica que opera entre dos depósitos de
energía a temperaturas TL y TH (tabla 2).
c  1 
TL
…….……………………….....(4)
TH
En la prueba, se utilizó la eficiencia térmica de Carnot (  c ), (Álvarez y Callejón, 2005), debido a la dificultad de
determinar los flujos de calor y por ende, la eficiencia térmica real del motor de dos tiempos. En esto, se puede
decir que unos de los factores que causaron este inconveniente son las limitantes que impidieron la medición
adecuada en el interior de la cámara de combustión (Soto, 2007). Sin embargo, se lograron obtener valores del
rendimiento del motor en función de las temperaturas del medio ambiente y de la cámara de combustión. Como
resultado, la eficiencia térmica se incrementó en 15.48 %, lo que indica el efecto del recubrimiento de material
compuesto reforzado con residuos en la cabeza del pistón (Escuela Mexicana de Electricidad, 2000).
3.2 Fabricación de refractarios
Se obtuvieron dos productos refractarios a fines de emplear los compuestos de residuos granulares mineros y las
cenizas volcánicas en el campo de la ingeniería térmica. Estos productos son: un plástico refractario (elaborado
con residuos mineros, arcilla y bentonita) que puede ser empleado como recubrimiento en los generadores de
vapor y hornos a fin de evitar la salida de los gases, y el otro producto es un concreto refractario (compuesto por
ceniza volcánica, arcilla y bentonita) que se puede aprovechar como ladrillo refractario, debido a que estos
materiales tienen buenas propiedades mecánicas y térmicas parecidas a las de los ladrillos refractarios comerciales
(tabla. 3), estos productos se muestran en la figura 3.
Tabla 3. Materiales Compuestos refractarios: (a) Plástico refractario, y (b) Concreto refractario.
Las propiedades que se le determinaron a los materiales compuestos refractarios se presentan la tabla 3.
Tabla 3. Propiedades los compuestos refractarios de residuos mineros y cenizas
Compuestos refractarios
Propiedades
Densidad
(g/cm3)
Porosidad
%
Resistencia a la flexión
(MPa)
Resistencia a la compresión
(MPa)
Cambio lineal
%
Conductividad térmica, 25-80
°C
[J/(s*m*°C)]
Plástico
Concreto
2.441
2.721
18.581
17.982
2.942
14.339
16.289
38.283
0.480
0.240
1.401
1.101
En la tabla 3, se puede observar que ambos materiales compuestos tienen las propiedades físicas relativamente
similares. Sin embargo, en cuanto la resistencias mecanicas, el compuesto concreto posee mayor resistencia a la
compresión y a la flexión que el compuesto plástico refractario.
CONCLUSIONES
Se puede producir diferentes tipos de producto a partir de los materiales compuestos obtenidos de residuos
granulares, los cuales pueden suplir la demanda de piezas y componentes que en la actualidad son muy costosos o
que fallan constantemente, por el tipo de material que están construidos. Como consecuencia, estas aplicaciones
justifican la existencia de estos compuestos.
Por ende, las características microestructurales de las materias primas permitieron producir materiales compuestos
de partículas con resistencias físicas y mecánicas, los cuales se usaron en la elaboración de ladrillos refractarios y
como recubrimiento de piezas y componentes metálicos para mejorar la resistencia al desgaste y térmica de sus
superficies. Por lo tanto, incursionado en la ingeniería de los materiales, al recubrir la superficie de la cabeza del
motor de dos tiempos GP 15/9011 utilizando el compuesto reforzado con residuos de plata y oro, se incrementó su
eficiencia en 15.48 %. Además, con la superficie recubierta se disminuyó fuga de combustible a través de la
cabeza metálica, lo cual útil para impedir la salida de humo azul cuando el motor está en funcionamiento (Soto,
2007).
Finalmente, se pueden reciclar los desechos que se originan al final del proceso de extracción de los minerales
preciosos, a fin de fabricar compuestos que se puedan emplear como valor agregado en el sector industrial.
Igualmente, se pueden recopilar cenizas para evitar que sigan ocasionando enfermedades.
REFERENCIAS
Alarcón, E; Villagrán, M; Haro, E; Alonso, J; Fernández, M; y Camps, E. (1999). ‘ Thin Film Deposition of
Transparent Materials by Rear-Side Laser Ablation: A Novel Configuration.’ Applied Physics A – Materials
Science & Processing: A 69: S583-S586.
Álvarez Flórez, Jesús y Callejón Agramunt, Ismael (2005). Máquinas Térmicas Motoras. México, Alfaomega.
Askeland, D. and Phulé, P. (2006) The Science and Engineering of the Materials. México, 5 th ed., Tomson
Brooks/Cole.
ASTM C 773 – 88. Standard Test Method for Compressive Strength of Fired Whiteware Materials. Pp. 250-252.
ASTM C674-88. Standard Test Method for Flexural Properties of Ceramic Whiteware Materials. pp. 205-208.
Budinski, K. (1992). Engineering Materials Properties and Selection. The Unite States of American, 5ta ed.,
Prentice Hall.
Escuela Mexicana de Electricidad (2000). ‘Fallas en el Sistema Fuel Injectión’. DVD. www.mecánica_facil.com
Ferrer Jiménez, Carlos y Amigo Borrás, Vicente (2005). Tecnología de Materiales. México, Alfaomega
Gualtieri, Pablo (2005). Motores Diesel Nuevas Tecnologías. México, Hasa. www.hasa.com.ar
Mendenhall, William y Sincich, Terry ( 1997). Probabilidad y Estadística para Ingeniería y Ciencias. México, 4ta
ed., Prentice Hall.
Olea, O; Camps, E. Alarcón, E; Muhl, S; Rodil, S; y Camacho, M. (2003). ‘a-C Thin Deposition by Laser
Ablation.’ Thin Solid Films: 433: 27-33.
Smith, William F. and Hashemi, Javad (2005). Fundamento de la Ciencia e Ingeniería los de Materiales. México,
4ta. ed., McGraw - HILL.
Soto Trinidad, José L., (Julio, 2007). Estudio Mecánico Probabilística de Materiales Compuestos Obtenidos a
Partir de Residuos Sólidos Mineros, Tesis de Doctorado, SEPI – ESIME – IPN.
Vite J. (1994). ‘Apparatus and Process for Extracting Metal Values from Foundry Sands’ US Patent 5,356,601.
Vite Torres, Jaime; Diaz Calva, A.; Vite Torres, Manuel and Carreño de Leon, C. (2003). ‘Application of Coupled
Thermostatted Columns in Civil Engineering and for Leaching Heavy Metals of Wastes from Foundry Sands and
Mining Industry’. International Journal of Environment and Pollution. 19 (1) 46 – 65.
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